VoIP 原理介绍及组网技术

Vo IP 原理介绍及组网技术

摘要主要介绍Vo IP 的原理,以及相关的H. 323 协议族,重点阐述了Vo IP 的呼叫过程及Vo IP 的网络规划,同

时对Vo IP 的服务及话音质量的控制及实现做出进一步的论述。最后结合相关产品说明Vo IP 具体实现的方法。

关键词Vo IP H. 323 呼叫服务质量RSVP 延迟话音编码/ 解码

1 VoIP 业务介绍

随着数据成为公用通信基础设施的主流, 采用相同的手段运载交换语音业务, 无论从技术、操作和经济角度来讲都更有意义。传统的PSTN 电话业务在传输上使用的是模拟技术, 最大缺点是只能够在专用的网络上进行传输, 专网专用, 通话双方之间的电路被独占。所以传统电话业务的成本较高, 并且其业务范围也受到了地域的。IP 电话在说话方将声音进行数字化采样, 转变为数字信号之后还要进行压缩, 通过IP 网络传送至受话方后, 再按相反的过程将话音恢复, 即VoIP(Voice over IP) 技术。VoIP 与普通PSTN 电话网络最大的区别就是传输的载体不同,顾名思意,VoIP 电话网络的传输载体

是IP 网络。

2 VoIP 的组成及其呼叫原理

2. 1 VoIP 的基本原理

VoIP 的整个工作过程主要就是由H. 323 协议套装来完成的,网络结构和功能大致如图1 所示:

2. 2 VoIP 协议及功能模块

下面简单介绍VoIP 涉及的协议以及各个功能模块。

2. 2. 1 H. 323 协议

H. 323 是多媒体通讯的ITU - T协议, 它主要应用于控制声音、图像和数据的互相传输和通讯。H. 323 协议和其他的Voice over Packet (VoP) 软件提供了一个完整的下一代多媒体通讯的解决方案。

2. 2. 2 H. 323 基本组成部分

由图2 可见, H. 323 由不同的组件组成,包括以下几个部分:

图2 基于H. 323 协议网络的各个组成部分

(1) H. 323 gateway(网关) 和H. 323 gatekeeper (关守)

H. 323 gateway 和H. 323 gatekeeper 是voip 里面重要组成部分, 网关可以终结isdn 和pstn 网络。

(2) H. 323 terminals (终端)

H. 323 terminals 可以是以下的任何一样:装在PC 上的H. 323 客户端软件(比如NetSpeak ,

Vocal Tec) ;带H. 323 硬件卡的PC ( 比如VCON , IntelProshare/ Teamstation) ;无线H. 323 电话(比如Symbol Technology) ;下一代的声音/ 视频电话等。

2. 2. 3 H. 323 GATEWAY的功能

(1) 继承H. 323 终端特性。

(2) 实现从一种网络模式到另一种网络模式的转变。

(3) 提供从H. 322 终点到另一种终端形式的转变,比如转成普通电话或者H. 320 ; H. 324 终端类型。

(4) 完成传送传输信息和系统控制过程的任务,完成呼叫的建立和清除过程。

2. 2. 4 H. 323 GATEKEEPER 的功能

H. 323 关守主要是给大型VoIP 网络提供呼叫控制使用的,在点到点的VoIP 呼叫过程中,关守可以不用, 在稍具规模的VoIP 网络中, 如果没有关守, 在整个呼叫建立, 拆除, 寻址过程中会消耗大量的网络资源, 此时关守的功能就是对呼叫进行集中的寻址和管理, 将本来由网关做的这部分工作接管过来, 这样可以有效的利用资源,减少消耗。

2. 3 VoIP 呼叫过程

上面简单的介绍了VoIP 的一些基本原理以及其中涉及到的协议, 下面我们举一个例子简单说明VoIP 的整个呼叫过程。

2. 3. 1 单关守VoIP 连接(如图3 所示)：

图3 单关守Vo IP 的呼叫过程

终端A(4086 - 0001) 呼叫终端B(4086 - 6711) 需经过以下几个步骤。

第一步: 终端A 拨叫终端B 的号码: 408 - 667 -1111。

第二步: 网关A 向关守GK1 发出一个请求, 要求允许向终端B 呼叫。

第三步: 关守GK1 对终端B 进行认证, 然后向网关A 返回网关B 的IP 地址。

第四步: 网关A 向网关B 发出一个Q. 931 Call -Setup 请求,并告诉网关B 终端B 的号码。

第五步:网关B 向关守GK1 发出一个请求,要求允许应答网关A 的呼叫。

第六步: 关守GK1 向网关B 返回允许信号和网关A 的IP 地址。

第七步:网关B 对终端B(4086 - 6711) 建立一个呼叫连接。

第八步: 当终端B 应答后, 网关B 向网关A 发出一个Q. 931 连接。

至此,终端A 和终端B 的呼叫连接建立。

2. 3. 2 有两个或两个以上关守的voip 连接(如图4 所示)：

图4 多个关守的Vo IP 呼叫过程

终端A(4155 - 0003) 呼叫终端B(4086 - 1111) 需经过以下几个步骤。

第一步: 终端A 拨叫终端B 的号码: 4086 -1111。

第二步: 网关A 向关守GK1 发出一个请求, 要求允许向终端B 呼叫。

第三步: 关守GK1 对终端B 进行认证,发现终端B没有注册,然后关守2 发出认证请求。

第四步: 关守2 对终端B 进行认证通过, 并向关守1 返回网关B 的IP 地址。

第五步:关守GK1 返回网关B 的IP 地址。

第六步: 网关A 向网关B 发出一个Q. 931 Call -Setup 请求,并告诉网关B 终端B 的号码。

第七步:网关B 对关守2 发出请求,要求允许应答网关A 的呼叫。

第八步:关守2 返回网关A 的IP 地址。

第九步:网关B 对终端B(4086 - 6711) 建立一个呼叫连接。

第十步: 当终端B 应答后, 网关B 向网关A 发出一个Q. 931 连接。至此,终端A 和终端B 的呼叫连接建立。

3 、VoIP 的网络规划

VoIP 基于IP 技术, 在技术和经济上, 尤其在资费上的优势, 决定了在业务网网路组织上应最大限度利用现有IP 网。由于IP 电话业务承载主体主要采用IP网络,同时为了满足电话通信的全程性, IP 网应与电话网互连,通过IP 网与电话网共同构成IP 电话业务网。因此IP 电话业务网的网路组织存在与电话网互联侧面和与IP 网互联侧面。对于网络互连的组网原则如下:

(1) 为充分利用业务网的资源, 网络设备尽量靠近用户,应遵循“近端入网、远端出网”的组网原则。

(2) 近期建设与远期发展相结合,把近期业务网作为远期实用网的基础来考虑。综上所

述VoIP 主要由网关、关守、交换机、后台认证、计费系统组成。如图5 所示。

图5 Vo IP 网络结构

3. 1 VoIP 关键业务的服务质量保证

IP 电话的清晰性,稳定性是IP 电话提供良好服务最重要的前提,在技术上,VoIP 的服务质量保证是目前应关注的主要问题。在未来的2～5 年中, IP 电话将逐渐进入成熟期, 随着IP 电话产品标准的统一, 全球IP电话网络将实现互通。能够提供电信级的话音质量,或近似于电信级的话音质量, 再加上低廉的成本, IP 电话与PSTN 电话相比才有真正的优越性, 并有可能在长途业务中逐步取代PSTN。因此在组网过程中, 如何保证IP 电话的服务质量是一个关键问题。

3. 2 高质量的话音网络

用户在拨打IP 电话时需要经过VoIP 网关进行语音编码和压缩, 然后再将压缩的数据经由IP 网络传输到受话地的VoIP 网关,受话地的VoIP 网关对这些数据解压后再经由PSTN 传送给真正的受话人。在这当中有两部分主要的可能发生传输延迟/ 抖动点, 一部分由两边的VoIP 网关的语音编码/ 还原和压缩/ 解压缩造成,由于目前的VoIP 网关普遍

采用了专用的编码/ 压缩芯片,因此,这部分延迟/ 抖动可以得到有效的控制; 另一部分则由于包含语音的IP 包在传输中的拥塞/ 丢包而造成, 由于IP 路由器传统上是以尽力(best effort) 传送的方式来传送IP 包的,它受网络状况的影响比较大,因此往往需要采用一定的手段让语音包得以更加高效地在IP 网络上进行传输。

3. 2. 1 网关话音质量

网关通过先进的话音处理和技巧来确保低时延,获得高话音质量。它还降低承载单个呼叫所需要的带宽, 这样成本降低了, 同时又保证了及时提供话音分组。

3. 2. 2 话音编码/ 解码

网关的话音处理对呼叫质量的影响至关重要。网关设计用来支持多个CODEC 和话音处理功能: 它支持G. 729 (CS - ACELP) 和G. 711 ( PCM) ITU标准CODEC ,这些可以实现8 kbit/ s 的速率传输高质量的话音。另外还可以增加CODEC , 它采用E. 168 回音消除标准进行回音消除功能。还有一些VoIP 参数可以调节,以适应客户要求的话音质量,包括增益、衰减、回音消除深度、话音活动检测电平、信噪比以及静音压缩背景噪音等。大多数的VoIP 网关具有静音检测、回声拟制功能,通话中50 %的时间处于听的状态, 另一端收不到任何语音包,这时可以实现静音压缩,不在IP 网络上传输语音包, 只在远端恢复近端的噪音直至近端重新有话音包传送。

VoIP 网关的静音检测、回声抑制功能可通过软件命令配置不同的参数级别。静音检测的工作原理是检测话音信号的大小并决定何时不发送语音包. 一般情况下, 当静音检测判断到静音, 它等待固定的时间等待话音包停止传送,这个固定的时间一般为200 ms。VoIP 网关中设置Jitter Buffer 来纠正时延抖动,Jitter Buffer 的值为4～200 ms ,可以人为定义,

也可以是自动动态调整。VoIP 网关采用G. 729 语音压缩编码中纠错功能来对比特差错和丢包进行补偿处理。

3. 2. 3 降低延迟

延迟是由固定延迟和可变延迟两部分组成。固定延迟包括= 传输延迟+ 串行链路延迟+ 处理延迟。传输延迟基于源和目标之间的总距离, 每公里延迟为6μs ,所以传输延迟= 距离×6μs串行链路延迟是指将数据发送到电路过程的延迟。电路速度越高, 在电路上加载数据所需的时间越短,因此电路速度越高串行链路延迟越低。例如,在kbit/ s 的电路上加载1 个字节需要125μs。而在OC - 3电路上加载1 个字节需要0. 05μs。

处理延迟可以分解为: 编码/ 压缩,解码/ 解压缩延迟, 取决于采用的压缩方式. G. 729 编码方式的编码/压缩,解码/ 解压缩延迟为25 ms。可变延迟主要是队列延迟和抖动抑制缓冲区时延。

队列延迟是由于在中继线中等待处理其它业务时导致的延迟。在中继线上等候时,语音分组在队列中的等待时间是随机的。从统计学观点看其等待时间同业务的输入源有关, 因此节点的输入源越多, 中继线就越容易出现争用。等待时间还取决于当前处理的分组尺寸。抖动抑制缓冲区用于接收端, 目的是平滑延迟变动, 并兼顾解码和压缩操作。这还有助于开始通话, 以使语音传送更加平滑。延迟是实现话音质量的一个关键因素。ITU建议的实时话音应用延迟为150 ms 或更低。网关与网络QoS(服务质量) 技术协同运行, 以几种方式降低端到端延迟: 低时延话音编码/ 解码防止过量延迟。一个自适应性抖动缓冲器智能地消除数据包延迟偏差。可在网关上设定IP 优先权, 给话音呼叫分配优先权在骨干网中进行排队。多级多链路PPP 分段功能和交织(亦称RFC1990) 将对时间不敏感的大数据包分成较小的包,从而将“实时”话音分组与较大的数据包交织。这种技术在低速链路上尤其有用,

可防止实时话音分组堵塞在大数据包之后。IP 的CoS( IP Precedence) 服务可以将IP包进行分类传输。现有的队列技术可确保高优先级的VoIP 包得到足够的优先处理和传输。资源预留协议(MPLS/ RSVP) 允许网关在网络中申请预留带宽。

3. 2. 4 降低带宽要求

如前所述,G. 729 CODEC 可以8 kbit/ s 的数据速率提供高质量话音。VoIP 网关使用以下其他技术可降低网络带宽:发送传真时,传真呼叫每秒只消耗9. 6 kbit/ s的带宽。入局传真被中继前先进行解调, 降低原先kbit/ s 脉码调制所需的带宽。网关使用话音活动探测和静音抑制。因此, 只有当用户在说话时才使用网络带宽。在通话的静止时间( silent period) (约为通话时间的50 %) ,带宽可供其它业务使用。可识别的静止前最长时间(“话音释放时间”) 是200 ms。大多数情况下,压缩实时传输协议(CRTP) 将一般为40 个字节的数据包报头压缩成2 到4 个字节。这样便将报头尺寸缩小了90 % ,可为实时话音分组带来重大优点,因为话音分组的尺寸一般较小。

3. 3 实现网络QoS 的设计

为了提供高效的链接, 各节点之间用MLPPP 方式互连, MLPPP(Multi - class Multilink PPP 和MLPPP withInterleaving 为接口捆绑) 允许大数据包被多链路封装和分段成小数据包,这样满足语音的实时要求。重叠功能也为一些小的、延迟敏感的数据包提供一些特殊的传输序列,使之比其他序列更快传输。

实现QoS 的网络是成功提供远距离话音业务的关键。通过使用各种技术优先处理话音分组,话音质量可保持稳定,不受网络负载的变化。这种优先处理是通过支持各种QoS 标准实现的。可以采用的方法有: 加权公平排队; 加权随机早期探测(WRED) 等方法。为保证

IP 电话和传真服务质量的关键是保证IP的服务质量, 并且一定要是端到端的跨整个IP 网的服务质量。具体实现可以采用CRTP 协议压缩(Compressed Real - Time Transport Protocol) 、RSVP( 带宽预保留) 、Traffic Shaping、Multilink Fragmentation and Interleaving、IP Precedence - Class of Service 等IP QoS 技术, 来提高或保证VoIP 的服务质量。

4 总结

目前,VoIP 主要提供国内、国际长途电话服务。随着VoIP 技术的不断发展, VoIP 系统上的增值业务将会越来越多, 我们的目标是将PSTN 网络上所有的增值业务逐步移植到IP 网络上。目前VoIP 的发展正处于一个多样化的阶段, 从产品的多样化、网络结构组成的复杂性以及协议的制定和发展趋势上来看,正在逐步趋向完善,VoIP 必将带给世人一个全新的通信新概念。